离线增强学习（RL）的样本效率保证通常依赖于对功能类别（例如Bellman-Completeness）和数据覆盖范围（例如，全政策浓缩性）的强有力的假设。尽管最近在放松这些假设方面做出了努力，但现有作品只能放松这两个因素之一，从而使另一个因素的强烈假设完好无损。作为一个重要的开放问题，我们是否可以实现对这两个因素的假设较弱的样本效率离线RL？在本文中，我们以积极的态度回答了这个问题。我们基于MDP的原始偶对偶进行分析了一种简单的算法，其中双重变量（打折占用）是使用密度比函数对离线数据进行建模的。通过适当的正则化，我们表明该算法仅在可变性和单极浓缩性下具有多项式样品的复杂性。我们还基于不同的假设提供了替代分析，以阐明离线RL原始二算法的性质。

Offline reinforcement learning (RL) concerns pursuing an optimal policy for sequential decision-making from a pre-collected dataset, without further interaction with the environment. Recent theoretical progress has focused on developing sample-efficient offline RL algorithms with various relaxed assumptions on data coverage and function approximators, especially to handle the case with excessively large state-action spaces. Among them, the framework based on the linear-programming (LP) reformulation of Markov decision processes has shown promise: it enables sample-efficient offline RL with function approximation, under only partial data coverage and realizability assumptions on the function classes, with favorable computational tractability. In this work, we revisit the LP framework for offline RL, and advance the existing results in several aspects, relaxing certain assumptions and achieving optimal statistical rates in terms of sample size. Our key enabler is to introduce proper constraints in the reformulation, instead of using any regularization as in the literature, sometimes also with careful choices of the function classes and initial state distributions. We hope our insights further advocate the study of the LP framework, as well as the induced primal-dual minimax optimization, in offline RL.

我们考虑在离线增强学习中有一个具有挑战性的理论问题（RL）：仅在功能近似器的可靠性型假设下，通过缺乏足够覆盖的数据集获得样本效率保证。尽管现有的理论已经在可实现性和非探索数据下分别解决了学习，但没有工作能够同时解决这两者（除了我们对详细比较的并发工作除外）。在额外的差距假设下，我们根据边缘化重要性采样（MIS）形成的版本空间（MIS）为简单的悲观算法提供保证，并且保证只需要数据来涵盖最佳策略和功能类，以实现最佳价值和最佳价值和密度比函数。尽管在RL理论的其他领域中使用了类似的差距假设，但我们的工作是第一个识别离线RL中差距假设的实用性和新型机制，其功能近似较弱。

使用悲观，推理缺乏详尽的勘探数据集时的脱机强化学习最近颇具知名度。尽管它增加了算法的鲁棒性，过于悲观的推理可以在排除利好政策的发现，这是流行的基于红利悲观的问题同样有害。在本文中，我们介绍一般函数近似的Bellman-一致悲观的概念：不是计算逐点下界的值的功能，我们在超过设定的与贝尔曼方程一致的功能的初始状态实现悲观。我们的理论保证只需要贝尔曼封闭性作为探索性的设置标准，其中基于奖金的情况下的悲观情绪未能提供担保。即使在线性函数逼近的特殊情况下更强的表现力假设成立，我们的结果由$ \ mathcal {}Ø（d）在其样品的复杂$在最近的基于奖金的方法改善的时候，动作的空间是有限的。值得注意的是，我们的算法，能够自动适应事后最好的偏差 - 方差折中，而大多数现有的方法中需要调整的额外超参数的先验。

我们考虑了具有未知成本函数的大规模马尔可夫决策过程，并解决了从有限一套专家演示学习政策的问题。我们假设学习者不允许与专家互动，并且无法访问任何类型的加固信号。现有的逆钢筋学习方法具有强大的理论保证，但在计算上是昂贵的，而最先进的政策优化算法实现了重大的经验成功，但受到有限的理论理解受到阻碍。为了弥合理论与实践之间的差距，我们使用拉格朗日二元介绍了一种新的Bilinear鞍点框架。所提出的原始双视点允许我们通过随机凸优化的镜头开发出无模型可释放的算法。该方法享有实现，低内存要求和独立于州数量的计算和采样复杂性的优点。我们进一步提出了同等的无悔在线学习解释。

我们建议和分析一个强化学习原理，该原理仅在测试功能的用户定义空间沿使用它们的有效性来近似钟声方程。我们专注于使用功能近似的无模型离线RL应用程序，我们利用这一原理来得出置信区间以进行非政策评估，并在规定的策略类别中优化了对策略的优化。我们证明了关于我们的政策优化程序的甲骨文不平等，就任意比较策略的价值和不确定性之间的权衡而言。测试功能空间的不同选择使我们能够解决共同框架中的不同问题。我们表征了使用我们的程序从政策转移到政策数据的效率的丧失，并建立了与过去工作中研究的浓缩性系数的连接。我们深入研究了具有线性函数近似的方法的实施，即使贝尔曼关闭不结束，也可以通过多项式时间实现提供理论保证。

作为安全加强学习的重要框架，在最近的文献中已经广泛研究了受约束的马尔可夫决策过程（CMDP）。然而，尽管在各种式学习设置下取得了丰富的结果，但就算法设计和信息理论样本复杂性下限而言，仍然缺乏对离线CMDP问题的基本理解。在本文中，我们专注于仅在脱机数据可用的情况下解决CMDP问题。通过采用单极浓缩系数$ c^*$的概念，我们建立了一个$ \ omega \ left（\ frac {\ min \ left \ left \ weft \ {| \ mathcal {s} || \ mathcal {a} a} |，， | \ Mathcal {s} |+i \ right \} c^*} {（1- \ gamma）^3 \ epsilon^2} \ right）$ sample Complacy度在离线cmdp问题上，其中$ i $架对于约束数量。通过引入一种简单但新颖的偏差控制机制，我们提出了一种称为DPDL的近乎最佳的原始二重学习算法。该算法证明，除了$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}}（（（1- \ gamma）^{ - 1}）$外，该算法可确保零约束违规及其样本复杂性匹配上下界。还包括有关如何处理未知常数$ c^*$以及离线数据集中潜在的异步结构的全面讨论。

我们在面对未衡量的混杂因素时研究离线增强学习（RL）。由于缺乏与环境的在线互动，离线RL面临以下两个重大挑战：（i）代理可能会被未观察到的状态变量混淆； （ii）提前收集的离线数据不能为环境提供足够的覆盖范围。为了应对上述挑战，我们借助工具变量研究了混杂的MDP中的政策学习。具体而言，我们首先建立了基于和边缘化的重要性采样（MIS）的识别结果，以确定混杂的MDP中的预期总奖励结果。然后，通过利用悲观主义和我们的认同结果，我们提出了各种政策学习方法，并具有有限样本的次级临时性保证，可以在最小的数据覆盖范围和建模假设下找到最佳的课堂政策。最后，我们广泛的理论研究和一项由肾脏移植动机的数值研究证明了该方法的有希望的表现。

强化学习被广泛用于在与环境互动时需要执行顺序决策的应用中。当决策要求包括满足一些安全限制时，问题就变得更加具有挑战性。该问题在数学上是作为约束的马尔可夫决策过程（CMDP）提出的。在文献中，可以通过无模型的方式解决各种算法来解决CMDP问题，以实现$ \ epsilon $ - 最佳的累积奖励，并使用$ \ epsilon $可行的政策。 $ \ epsilon $可行的政策意味着它遭受了违规的限制。这里的一个重要问题是，我们是否可以实现$ \ epsilon $ - 最佳的累积奖励，并违反零约束。为此，我们主张使用随机原始偶对偶方法来解决CMDP问题，并提出保守的随机原始二重算法（CSPDA），该算法（CSPDA）显示出$ \ tilde {\ tilde {\ Mathcal {o}} \ left（1 /\ epsilon^2 \ right）$样本复杂性，以实现$ \ epsilon $ - 最佳累积奖励，违反零约束。在先前的工作中，$ \ epsilon $ - 最佳策略的最佳可用样本复杂性是零约束的策略是$ \ tilde {\ Mathcal {o}}} \ left（1/\ epsilon^5 \ right）$。因此，与最新技术相比，拟议的算法提供了重大改进。

We study time-inhomogeneous episodic reinforcement learning (RL) under general function approximation and sparse rewards. We design a new algorithm, Variance-weighted Optimistic $Q$-Learning (VO$Q$L), based on $Q$-learning and bound its regret assuming completeness and bounded Eluder dimension for the regression function class. As a special case, VO$Q$L achieves $\tilde{O}(d\sqrt{HT}+d^6H^{5})$ regret over $T$ episodes for a horizon $H$ MDP under ($d$-dimensional) linear function approximation, which is asymptotically optimal. Our algorithm incorporates weighted regression-based upper and lower bounds on the optimal value function to obtain this improved regret. The algorithm is computationally efficient given a regression oracle over the function class, making this the first computationally tractable and statistically optimal approach for linear MDPs.

策略梯度方法适用于复杂的，不理解的，通过对参数化的策略进行随机梯度下降来控制问题。不幸的是，即使对于可以通过标准动态编程技术解决的简单控制问题，策略梯度算法也会面临非凸优化问题，并且被广泛理解为仅收敛到固定点。这项工作确定了结构属性 - 通过几个经典控制问题共享 - 确保策略梯度目标函数尽管是非凸面，但没有次优的固定点。当这些条件得到加强时，该目标满足了产生收敛速率的Polyak-lojasiewicz（梯度优势）条件。当其中一些条件放松时，我们还可以在任何固定点的最佳差距上提供界限。

强大的增强学习（RL）的目的是学习一项与模型参数不确定性的强大策略。由于模拟器建模错误，随着时间的推移，现实世界系统动力学的变化以及对抗性干扰，参数不确定性通常发生在许多现实世界中的RL应用中。强大的RL通常被称为最大问题问题，其目的是学习最大化价值与不确定性集合中最坏可能的模型的策略。在这项工作中，我们提出了一种称为鲁棒拟合Q-材料（RFQI）的强大RL算法，该算法仅使用离线数据集来学习最佳稳健策略。使用离线数据的强大RL比其非持续性对应物更具挑战性，因为在强大的Bellman运营商中所有模型的最小化。这在离线数据收集，对模型的优化以及公正的估计中构成了挑战。在这项工作中，我们提出了一种系统的方法来克服这些挑战，从而导致了我们的RFQI算法。我们证明，RFQI在标准假设下学习了一项近乎最佳的强大政策，并证明了其在标准基准问题上的出色表现。

我们在一般的非线性函数近似下研究无奖励增强学习（RL），并在各种标准结构假设下建立样品效率和硬度结果。从积极的一面来看，我们提出了在最小的结构假设下进行样品有效奖励探索的Rfolive（无奖励橄榄）算法，该假设涵盖了先前研究的线性MDPS的设置（Jin等，2020b），线性完整性（线性完整性）（ Zanette等人，2020b）和低级MDP，具有未知的表示（Modi等，2021）。我们的分析表明，以前针对后两个设置的易学性或可及性假设在统计上对于无奖励探索而言并不是必需的。在负面方面，我们为在线性完整性假设下的无奖励和奖励意识探索提供统计硬度结果时，当基础特征未知时，显示了低级别和线性完整性设置之间的指数分离。

Value-function approximation methods that operate in batch mode have foundational importance to reinforcement learning (RL). Finite sample guarantees for these methods often crucially rely on two types of assumptions: (1) mild distribution shift, and (2) representation conditions that are stronger than realizability. However, the necessity ("why do we need them?") and the naturalness ("when do they hold?") of such assumptions have largely eluded the literature. In this paper, we revisit these assumptions and provide theoretical results towards answering the above questions, and make steps towards a deeper understanding of value-function approximation.

低级MDP已成为研究强化学习中的表示和探索的重要模型。有了已知的代表，存在几种无模型的探索策略。相反，未知表示设置的所有算法都是基于模型的，因此需要对完整动力学进行建模。在这项工作中，我们介绍了低级MDP的第一个无模型表示学习算法。关键的算法贡献是一个新的Minimax表示学习目标，我们为其提供具有不同权衡的变体，其统计和计算属性不同。我们将这一表示的学习步骤与探索策略交织在一起，以无奖励的方式覆盖状态空间。所得算法可证明样品有效，并且可以适应一般函数近似以扩展到复杂的环境。

我们研究了平均奖励马尔可夫决策过程（AMDP）的问题，并开发了具有强大理论保证的新型一阶方法，以进行政策评估和优化。由于缺乏勘探，现有的彻底评估方法遭受了次优融合率以及处理不足的随机策略（例如确定性政策）的失败。为了解决这些问题，我们开发了一种新颖的差异时间差异（VRTD）方法，具有随机策略的线性函数近似以及最佳收敛保证，以及一种探索性方差降低的时间差（EVRTD）方法，用于不充分的随机策略，可相当的融合保证。我们进一步建立了政策评估偏见的线性收敛速率，这对于改善策略优化的总体样本复杂性至关重要。另一方面，与对MDP的政策梯度方法的有限样本分析相比，对AMDP的策略梯度方法的现有研究主要集中在基础马尔可夫流程的限制性假设下（例如，参见Abbasi-e， Yadkori等人，2019年），他们通常缺乏整体样本复杂性的保证。为此，我们开发了随机策略镜下降（SPMD）的平均奖励变体（LAN，2022）。我们建立了第一个$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}（\ epsilon^{ - 2}）$样品复杂性，用于在生成模型（带有UNICHAIN假设）和Markovian Noise模型（使用Ergodicicic Modele（具有核能的模型）下，使用策略梯度方法求解AMDP假设）。该界限可以进一步改进到$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}}（\ epsilon^{ - 1}）$用于求解正则化AMDPS。我们的理论优势通过数值实验来证实。

我们考虑了离线强化学习问题，其中目的是学习从记录数据的决策策略。离线RL - 特别是当耦合时函数近似时允许在大或连续状态空间中允许泛化 - 在实践中变得越来越相关，因为它避免了昂贵且耗时的在线数据收集，并且非常适合安全 - 关键域名。对于离线值函数近似方法的现有样本复杂性保证通常需要（1）分配假设（即，良好的覆盖率）和（2）代表性假设（即，表示一些或所有$ q $ -value函数的能力）比什么是更强大的受监督学习所必需的。然而，尽管研究了几十年的研究，但仍然无法充分理解这些条件和离线RL的基本限制。这使得陈和江（2019）猜想勇敢地（覆盖范围最大的覆盖率）和可实现性（最弱的代表条件）不足以足以用于样品有效的离线RL。通过证明通常，即使满足勇敢性和可实现性，也要解决这一猜想，即使满足既勇敢性和可实现性，也需要在状态空间的大小中需要采样复杂性多项式以学习非琐碎的政策。我们的研究结果表明，采样高效的离线强化学习需要超越监督学习的限制性覆盖条件或代表条件，并突出显示出称为过度覆盖的现象，该现象用作离线值函数近似方法的基本障碍。通过线性函数近似的加强学习结果的结果是，即使在恒定尺寸，在线和离线RL之间的分离也可以是任意大的。

这项工作开发了具有严格效率的新算法，可确保无限的地平线模仿学习（IL）具有线性函数近似而无需限制性相干假设。我们从问题的最小值开始，然后概述如何从优化中利用经典工具，尤其是近端点方法（PPM）和双平滑性，分别用于在线和离线IL。多亏了PPM，我们避免了在以前的文献中出现在线IL的嵌套政策评估和成本更新。特别是，我们通过优化单个凸的优化和在成本和Q函数上的平稳目标来消除常规交替更新。当不确定地解决时，我们将优化错误与恢复策略的次级优势联系起来。作为额外的奖励，通过将PPM重新解释为双重平滑以专家政策为中心，我们还获得了一个离线IL IL算法，该算法在所需的专家轨迹方面享有理论保证。最后，我们实现了线性和神经网络功能近似的令人信服的经验性能。

我们研究了离线加强学习（RL）的代表性学习，重点是离线政策评估（OPE）的重要任务。最近的工作表明，与监督的学习相反，Q功能的可实现性不足以学习。样品效率OPE的两个足够条件是Bellman的完整性和覆盖范围。先前的工作通常假设给出满足这些条件的表示形式，结果大多是理论上的。在这项工作中，我们提出了BCRL，该BCRL直接从数据中吸取了近似线性的贝尔曼完整表示，并具有良好的覆盖范围。通过这种学识渊博的表示，我们使用最小平方策略评估（LSPE）执行OPE，并在我们学习的表示中具有线性函数。我们提出了端到端的理论分析，表明我们的两阶段算法享有多项式样本复杂性，该算法在所考虑的丰富类别中提供了一些表示形式，这是线性的贝尔曼完成。从经验上讲，我们广泛评估了我们的DeepMind Control Suite的具有挑战性的基于图像的连续控制任务。我们显示我们的表示能够与针对非政策RL开发的先前表示的学习方法（例如Curl，SPR）相比，可以更好地使用OPE。 BCRL使用最先进的方法拟合Q评估（FQE）实现竞争性OPE误差，并在评估超出初始状态分布的评估时击败FQE。我们的消融表明，我们方法的线性铃铛完整和覆盖范围都至关重要。

尽管无奖励强化学习勘探阶段的主要目标（RF-RL）是减少具有最小轨迹数量的估计模型中的不确定性时间。目前尚不清楚这种安全的探索要求如何影响相应的样本复杂性，以实现所获得的计划中所需的最佳性。在这项工作中，我们首次尝试回答这个问题。特别是，我们考虑了事先知道安全基线政策的情况，并提出了一个统一的安全奖励探索（甜蜜）框架。然后，我们将甜蜜框架专门为表格和低级MDP设置，并分别开发出算法所构成的表格甜味和低级别甜味。两种算法都利用了新引入的截短值函数的凹度和连续性，并保证在探索过程中以高概率侵犯了零约束。此外，两种算法都可以在计划阶段的任何约束中找到近乎最佳的政策。值得注意的是，算法下的样本复杂性在无限制的对应物中匹配甚至超过最恒定因素的最新情况，这证明安全约束几乎不会增加RF-RL的样本复杂性。